JP3050340B2 - ガーネット導波路の製造方法 - Google Patents

ガーネット導波路の製造方法

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直登 杉本
彰之 館
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Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【産業上の利用分野】本発明は、ガーネット膜を用いた
導波路、例えば導波型アイソレータや導波型光増幅器等
を形成するためのガーネット膜導波路の製造方法に関す
る。
【0002】
【従来の技術】従来、ガーネット膜を用いて光ファイバ
等との接続が容易な5μm□程度の断面を有する導波路
デバイスを作製する場合、ガーネットの化学的安定性、
高硬度であること及び形成温度の高さ〜900℃によ
り、滑らかな側壁を有する低損失のガーネット導波路の
形成が著しく困難であった。まずガーネットが化学的に
安定であることから、低損失の石英系導波路の加工に用
いられている反応性イオンエッチングを利用しようとし
ても、ガーネットを構成する元素を昇華させて除去しう
るだけの昇華性を提供できる反応性ガスがない。一般に
用いられているフルオロカーボン系のガスや塩素を用い
ても格段の効果は認められない。溶液による化学的エッ
チングを用いる場合、ガーネットを溶解しうるのは、熱
リン酸及び臭化水素酸しか知られていない。熱リン酸あ
るいは臭化水素酸を用いれば、ガーネットの加工は一応
可能であるが、等方的なエッチングであるため、導波路
の側面がテーパを持ち、いわゆるアスペクト比を大きく
することができない。しかも、3μm以上深くエッチン
グしようとすると、パターンの上部がリン酸あるいは臭
化水素酸にさらされる時間が長くなるため、凸部の形状
が丸みを帯びてきて、光ファイバ等との接続を考えた場
合の5μm□程度の断面を有する導波路の形成が本質的
に困難であった。ガーネットの形成温度は〜900℃と
高温であるため、あらかじめパターニングを行うための
有機・無機のレジストステンシルを形成しておいて、そ
の後ガーネット膜を成長させ、最後にレジストステンシ
ルを溶解して不要な箇所を取去るという、いわゆるリフ
トオフ法を適用することはできない。そこで、従来は導
波路デバイス向けに磁性ガーネット膜を加工するのにア
ルゴンや塩素を用いたイオンビームエッチングを適用し
てきた。イオンビームエッチングは、イオン源により加
速されたイオンを衝突させることにより、イオンが衝突
した部分を構成する物質を物理的に叩き出す、いわゆる
スパッタリングによりエッチングを行うものである。
【0003】従来のイオンビームエッチングにおける問
題点に次のものがある。図2に、従来の方法の工程を模
式的に示す。すなわち、図2は従来のガーネット膜の製
造方法を示す工程図であり、符号1は基板、例えばガド
リニウムガリウムガーネット等、2はクラッド部のガー
ネット膜、例えば約5μmの厚さのイットリウム鉄ガー
ネット膜、3はマスク材例えば窒化シリコン等、4はガ
ーネットの凹凸、7は2と同様のクラッド部となるガー
ネット膜、8は導波部を形成するためのガーネット膜で
ある。図2に示すように、基板(例えばガドリニウムガ
リウムガーネット結晶)上に成長したガーネット膜(例
えばイットリウム鉄ガーネットYIG)の上に必要な部
分を保護するためのマスク材をフォトレジストにより1
〜8μmの厚さに形成する(図2Aの工程)。続いて、
イオンビームエッチング装置内に基板を持ち込み、アル
ゴン、酸素、窒素あるいは塩素イオン等を基板に照射す
ることにより、ガーネット膜を掘り下げる(図2B)。
この時、ガーネット膜が化学的に除去できないため、物
理的に叩き出されたガーネットの再付着やマスク材との
エッチング選択比が小さいことからマスク材が後退し、
導波路部分の外周部が直接イオンビームにさらされるこ
とに伴い、導波路側壁の凹凸が極めて大きくなるのが避
けられなかった(図2C)。次に、マスク材を除去し、
オーバークラッド部となるガーネット膜7を設けて、導
波路の形成を終了する(図2D)。
【0004】側壁の凹凸は、散乱損失を大きくする主た
る要因であり、このような従来技術においては、導波路
の散乱損失を低減化することが極めて困難であった。
【0005】
【発明が解決しようとする課題】図2に示す、従来のガ
ーネット膜加工方法では、散乱損失の小さいガーネット
導波路を形成することは困難であった。本発明の目的
は、この問題点を解決すべく、ガーネット膜を用いて、
低損失の導波路を製造する方法を提供することにある。
【0006】
【課題を解決するための手段】本発明を概説すれば、本
発明は、ガーネット導波路の製造方法に関する発明であ
って、一般式R3 Fe512で示される磁性ガーネット
膜、又は該ガーネットの酸素以外の構成元素の一部を等
価な価数を有する一種以上の元素で置き換えた置換型ガ
ーネット膜で形成される導波路の製造方法において、導
波部分を形成する前工程として、イオンビームにより
らかじめ所望の幅と深さを有する溝を形成し、次に、リ
ン酸、臭化水素酸、リン酸トリ−n−ブチル、リン酸ト
リクレシル、リン酸トリフェニルの中から選ばれた一種
以上を含む溶液を用いて溝の形状を整えるための処理を
行い、次いで、その溝の部分に選択的に導波部分を形成
することを特徴とする。
【0007】前記のような目的を達成するために、本発
明では、あらかじめ導波路を形成する部分に溝を物理的
エッチング等の手法を用いて形成し、その溝部の側面及
び底面をリン酸、臭化水素酸、あるいはリン酸と同等の
効果を有するリン酸トリ−n−ブチル、リン酸トリクレ
シル、リン酸トリフェニルの中から選ばれた一種以上を
含む溶液により処理することにより物理的エッチングに
よってもたらされた側壁への付着物あるいは歪みを除去
し、もって滑らかで凹凸のないかつ歪みのない溝部を形
成し、その溝部にのみ導波部を選択的にエピタキシャル
成長するためのマスク材で成長部以外を被覆したままエ
ピタキシャル成長を実施することによって低損失のガー
ネット導波路を提供できることを特徴とする。
【0008】また、当然にこれらの溶液を複数含む溶液
あるいはこれら溶液以外の溶液を含む溶液をもって溝部
の処理を行うのは、本発明の領域に含まれる。更に、選
択的に導波部を成長させるためのマスク材としては、高
融点の材料であれば、ほとんどの材料が使用可能であ
り、これを特定する必要はない。
【0009】
【実施例】以下に本発明の具体的実施例について説明す
るが、本発明はこれら実施例に限定されない。
【0010】実施例1 図1は、本発明によるガーネット膜導波路の製造方法の
一例を示す工程図であり、符号1〜4及び7は図2と同
義、5はリン酸等の溶液、6は選択的に成長した導波部
ガーネットである。まず、例えばガドリニウムガリウム
ガーネット〔GGG基板(111)方向〕上にクラッド
層となるべきやや屈折率が導波部より小さく制御された
イットリウム鉄ガーネット膜を液層エピタキシャル成長
法(LPE法)により、約5μmの厚さに形成した。次
に溝部を形成するため、及び導波部を選択的に成長させ
るための窒化シリコンからなるマスク材を形成した後、
イオンビームによりガーネット膜の加工を行い、導波部
を形成するための溝部を形成した。次に、図1Cに示す
様に熱リン酸に基板を浸し、溝部の側面及び底面に再付
着したガーネットの粒子及び歪みの入った部分を除去し
た。この際、窒化シリコンからなるマスク材は残存した
ままである。その後、その窒化シリコンをマスクとし
て、クラッド層に比較してやや屈折率を大きく制御した
導波部となるべきイットリウム鉄ガーネット膜をLPE
成長法により、約5μmの厚さに形成した。この際、ガ
ーネット膜は窒化シリコンで覆われていない部分すなわ
ち溝部にのみ選択的に成長する。その後、窒化シリコン
を除去し、最後に、上部クラッド層を前述のクラッド層
と同様の方法で形成して埋め込み型のイットリウム鉄ガ
ーネット膜導波路を形成した(図1E)。線幅4μmの
導波路の伝搬損失を測定したところ、0.2dB/cm
以下の低損失であり、極めて滑らかな側壁及び底面を有
する導波路が形成されていることが分かった。
【0011】その後、熱リン酸処理を行わなかった溝部
も含めて、LPE法によりイットリウムの一部をランタ
ンに、鉄の一部をガリウムに置換した導波路層を形成し
て導波損失を調べたところ、リン酸等での処理を行った
導波路は〜0.2dB/cmの低損失導波路であった
が、リン酸等での処理行わなかった溝に形成した導波路
では、>10dB/cmと損失が大きく、リン酸等での
処理の効果が確認できた。なお、本方法により、線幅1
μmの導波路まで伝搬損失の測定が可能であり、その値
は〜1.2dB/cmであった。また、その実際のパタ
ーン幅は導波路の底面で0.7μm、上部で1.1μm
であった。このことから、本方法が、導波路のパターン
幅の制御性を優れることが確認できた。
【0012】実施例2 実施例1で示したガーネット導波路製造方法を用いて、
イットリウム鉄ガーネットのイットリウムの一部をビス
マスあるいは希土類元素に、鉄の一部をガリウムあるい
はアルミに置換したガーネット膜で導波路を形成して、
上部クラッド層まで形成した後、線幅3μmの導波路に
ついて導波損失の測定を行った。この際、溝部の処理に
対して、リン酸の代りに臭化水素酸を使用し、マスク材
として窒化シリコンの代りに白金あるいはイリジウムを
使用した。その結果を、下記表1に示す。
【0013】
【表1】 表1 各ガーネット膜導波路の損失 イットリウムを置換する元素 導波損失(dB/cm) ビスマス <0.3 ランタン <0.3 ガドリニウム <0.2 ルテチウム <0.2
【0014】表1から分かるように、本発明による導波
路の製造方法により、各種磁性ガーネット膜で十分低損
失の導波路を形成することができる。また、希土類の中
でセリウム、プラセオジム、ネオジム、サマリウム、ユ
ーロピウム、テルビウム、ジスプロシウム、ホルミウ
ム、エルビウム、ツリウム、イッテルビウムが適宜混合
された原料を用いて作製したガーネット膜についても、
0.3dB/cm以下の低損失を得た。なお、鉄の一部
を置換していないガーネット膜についても損失が0.4
dB/cm以下であろうことは容易に類推できる。
【0015】実施例3 実施例1で示したガーネット膜導波路の製造方法に対し
て、熱リン酸の代りにリン酸トリ−n−ブチル、リン酸
トリクレシル、リン酸トリフェニルを適用してその効果
を調べた。その結果を表2に示す。
【0016】
【表2】 表2 リン酸トリ−n−ブチル、リン酸トリクレシル、リン酸 トリフェニル 有機溶媒の種類 導波損失(dB/cm) 溝部の凹凸(μm) リン酸トリ−n−ブチル 0.3 <0.08 リン酸トリクレシル 0.2 <0.07 リン酸トリフェニル 0.4 <0.07 無 処 理 >40 >1.2
【0017】表2から分かるように、これら有機溶媒が
溝部の平滑化に十分な効果を持つことが確認できた。
【0018】
【発明の効果】以上説明したように、本発明によれば、
ガーネット膜導波路の製造方法において、リン酸、臭化
水素酸、リン酸トリ−n−ブチル、リン酸トリクレシ
ル、リン酸トリフェニルの中から選ばれた一種以上の有
機溶媒を含む溶液により、あらかじめ導波部を形成する
ために形成した溝の側面及び底面を処理して、選択的に
溝部に導波部を成長すれば容易に低損失の導波路を形成
でき、ガーネット膜を用いたデバイスの作製が容易にな
り、産業上の利点が大きいものである。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明によるガーネット導波路製造方法の一例
を示す工程図である。
【図2】従来のガーネット導波路の製造方法を示す工程
図である。
【符号の説明】
1:基板、2:クラッド部のガーネット膜、3:マスク
材、4:ガーネットの凹凸、5:リン酸等の溶液、6:
選択的に成長した導波部ガーネット、7:2と同様のク
ラッド部となるガーネット膜、8:導波部を形成するた
めのガーネット膜
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 渋川 篤 東京都千代田区内幸町1丁目1番6号 日本電信電話株式会社内 (56)参考文献 特開 平2−251912(JP,A) 特開 昭58−106814(JP,A) 昭和63年電子情報通信学会春季全国大 会講演論文集(C−1),p.1−115 Appl.Phys.Lett.Vo l.52(9),29 February 1988,pp.682−684 (58)調査した分野(Int.Cl.7,DB名) G02B 6/12 - 6/14 G02F 1/00 - 1/125 H01F 10/00 - 10/30

Claims (1)

    (57)【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】 一般式R3 Fe512で示される磁性ガ
    ーネット膜、又は該ガーネットの酸素以外の構成元素の
    一部を等価な価数を有する一種以上の元素で置き換えた
    置換型ガーネット膜で形成される導波路の製造方法にお
    いて、導波部分を形成する前工程として、イオンビーム
    によりあらかじめ所望の幅と深さを有する溝を形成し、
    次に、リン酸、臭化水素酸、リン酸トリ−n−ブチル、
    リン酸トリクレシル、リン酸トリフェニルの中から選ば
    れた一種以上を含む溶液を用いて溝の形状を整えるため
    の処理を行い、次いで、その溝の部分に選択的に導波部
    分を形成することを特徴とするガーネット導波路の製造
    方法。
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KR100738802B1 (ko) * 2006-05-15 2007-07-12 인하대학교 산학협력단 자속 집속 증대 구조를 갖는 자기 광학 소자 및 자기 광학소자의 선택적 포화 자화 방법

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* Cited by examiner, † Cited by third party
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Appl.Phys.Lett.Vol.52(9),29 February 1988,pp.682−684
昭和63年電子情報通信学会春季全国大会講演論文集(C−1),p.1−115

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